10.Februar 2023

Quanten-Computer

Am 26.Januar 2023 war in der Sendung „Einstein“ beim SRF von Quanten-Computer die Rede.
Die elektronischen Geräte arbeiten mit Bits, welche dem Binärsystem unterworfen sind. Bei den Bits gibt es 2 verschiedene Zustände: 0 oder 1. Woher kommt das? Das Elektron hat einen Eigendrehimpuls mit 2 verschiedene Ausrichtungen. Der sogenannte Elektronenspin eines Elektrons hat somit 2 Zustände: entweder +1/2 oder -1/2. Somit ist Bit (1) oder (0).

Was ist ein Qbit?

In der Sendung Einstein vom 26.1.2023 wird lediglich von Atomen oder Staubpartikeln gesprochen. Um welche Atome es sich handeln soll, wird nicht erwähnt. Dies ist auch nicht wichtig vorerst. Wenn Atome gemeint sind, (unter den Staubpartikeln befinden sich wohl auch chemische Verbindungen) spricht man auch von Teilchen. Die sich meist im Schwebezustand befindlichen Teilchen, wie es die Sendung Einstein zeigt, haben 3 verschiedene Freiheitsgrade: Translation, Rotation und bei höheren Temperaturen Vibration. Die Teilchen befinden sich bei Raumtemperatur also im Schwingungszustand. Deshalb muss die Probe auf den absoluten Nullpunkt, -273°C, heruntergekühlt werden, damit nur noch Rotation beim Teilchen vorherrscht.

Etwas Quantenphysik
Das beliebige Atom (Es sollen aber dann mehrere sein) dreht quasi nur noch um sich selbst. Die Sache ist wohl etwas komplexer. Nun kommt halt etwas Quantentheorie ins Spiel, um das zu erklären.
Das Atom ist von einer Elektronenkonfiguration umhüllt. Die Elektronen sind in mehreren Schalen je nach Zustand oder Entfernung um das Atom verteilt. Es gibt die s-, p, und d-Schale. Die s-Schale kann maximal 2, die p-Schale 6, und die d-Schale höchstens 10 Elektronen aufnehmen. Nun kommt das Pauli-Prinzip ins Spiel. Die Elektronen müssen sich paaren, aber das geht nur, wenn beide Elektronen einen entgegengesetzten Spin haben.
Ein Elektronenpaar besteht aus einem Elektron mit Spin = +1/2 und einem Elektron mit einem Spin = -1/2. Aber niemals mit gleichem Spin!
Die s-Schale besteht somit maximal aus 1 Elektronenpaar, die p-Schale aus 3 und die d-Schale aus 5 Elektronenpaaren.

Spinbahnkopplung, eine mögliche Herleitung von Qbit.
In der äussersten Peripherie eines Atom befindet sich ein ungepaartes Elektron in der p- oder d-Schale. Ein ungepaartes Elektron in der s-Schale muss bei einer Anregung in eine höhere leere p- oder d-Schale steigen.
Das ungepaarte Elektron in der p- oder d-Schale kreist nun auch um den Atom-Kern. Da das Elektron bereits einen Eigendrehimpuls hat ergibt sich daraus ein Gesamtdrehimpuls.

Abbildung: Violetter Ring, Atomkern. Hellblauer Kreis, Umlaufbahn des Elektrons um den Atomkern. Pfeil nach oben ist der resultierende Gesamtdrehimpuls.

Da das Elektron ja zwei verschiedene Zustände haben kann, ergeben sich daraus zwei verschiedene resultierende Gesamtdrehimpulse. Daraus kann man entnehmen, weshalb das Atom, das als Qbit bezeichnet wird sowohl 1 als auch 0 sein kann.
Ein ungepaartes s-Elektron kreist nicht um den Atom-Kern. So steht es in den Lehrbüchern.
Das Natriumatom hat jedoch im Grundzustand ein ungepaartes s-Elektron in der äussersten 3s-Schale. Bei Anregung z.B. mit einem Laser steigt das 3s-Elektron auf den 3p-Zustand und kann den Atom-Kern umkreisen und es entstehen 2 Energieniveaus bei 589.76 nm und 589.16 nm. Es entsteht eine Feinstruktur des Spektrums. Beobachtet hat man dies bei den Natriumdampf-Lampen, die zur Strassenbeleuchtung verwendet werden.
Ob die Spinbahnkopplung mit den Qbits in Verbindung stehen, ist mit dieser Erklärung jedoch nicht bewiesen.

Die Berechnung der Möglichkeiten eines Quantencomputers.
Kommen wir zurück auf den Beitrag in der Sendung “Einstein” vom 26.1.2023. Was ein Qbit genau ist, wird vom Moderator und den Wissenschftlern des IBM-Instituts in Rüschlikon nicht erwähnt. Ein einzelnes Qbit könne sowohl 1 als auch 0 sein. Darus ergibt sich, dass bei einem einzelnes Qbit folgende Kombinationen möglich sind.
0 und 1, also 2 Kombinationen.
Bei 2 Qbits ergeben sich
00, 01, 10 und 11 somit 4 Kobinationen
Bei 3 Qbits
000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 kommt man auf 8 Kombinationen
Bei 4 Qbits zählt das IBM-Institut bereits 16 Kombinationen bzw Möglichkeiten
bei 10 Qbits sind es 1024
20 Qbits = 1048576
Wie kommt man nun auf diese Ergebnisse?
Wir haben es beim Qbit mit lediglich 2 Zuständen zu tun, nämlich 0 und 1.
Diese 2 Zustände potenzieren wir nun mit den Anzahl vorhandenen Qbits.
Bei 20 Qbits rechne man 2 hoch 20 das gibt 1048576
100 Qbits ergeben so bereits eine Zahl mit 31 Stellen:1 267 650 600 228 229 401 496 703 205 376
1000 Qbits ergeben nun eine Zahl mit 302 Stellen.
In der tat können sich in einem Staubklumpen von z.B 6 mm Durchnesser bereits mehrere 10 Millionen Atome oder Teilchen ansammeln.
Kommen wir zurück auf das Natrium-Atom. 1 Mol, das ist die Avogadrosche Zahl, besteht aus 6*10 hoch 23 Atome.
In einem würfelförmigen Behälter mit einer Kantenlänge von etwa 3 cm finden ein Mol Natrium-Atome Platz. Dass damit noch ein Quanten-Computer funktioniert, ist wohl kaum mehr möglich.
Das Gefäss, in dem sich die Probe von Qbits befinden soll, muss wohl vorerst komplett evakuiert werden. Da ansonsten Luftpartikel wie O2, N2, CO2 und weitere chemische Teilchen mit den Qbits in die Quere kommen oder gar reagieren. Zudem muss der Behälter, wie in der Sendung erklärt, auf die Kelvin-Temperatur (=-273°C) runtergefühlt werden. Abgekühlt und evakuiert sind die Qbits nun schwingungsfrei und es finden auch kaum Wechselwirkungen statt, das Atom rotiert nur noch oder das Elektron kreits um den Atomkern, wenn damit tatsächlich die Spinbahnkopplung gemeint ist. Die Qbit sind dann wahrscheinlich auch locker im luftleeren Gefässraum am Boden oder vielleicht gar schwebend bewegungslos verteilt.

Quantencomputer eine riesiges Potential
Nicht nur die Schnelligkeit, sondern auch die künstliche Intelligenz, die ja heute schon viel hergibt, wird massiv gesteigert. Die kürzeste oder optimalste Strecke in einer Grossstadt quasi sofort zu finden, wie in der Sendung, Einstein, gezeigt, ist nur ein einfaches Beispiel. Mit dem Quantenkomputer können Medikamente für jeden individuellen Körper von Mensch und Tier erstellt werden. Und viel mehr noch: Materialtransport mit Lichtgeschwindigkeit im Weltall könnte Realität werden. Der Planet Mars könnte mit ferngesteuerten Roboter bewohnbar gemacht werden. Geschlossene Systeme, Pistenfahrzeuge, protonengeschützte Bauten mit Sauertoffanlagen, Chemische Fabriken, eine Art protonengeschützte Hülle um den Mars und vieles mehr sind denkbar. Ein biologisches System vorerst in geschlossenen Systemen könnte auf dem Mars aufgebaut werden.

Wo liegen die Nachteile und Gefahren?
Das Gefäss, in dem sich die Qbits befinden, muss auf die 13fache Tiefkühltemperatur abgekühlt werden. Das kostet viel Energie. Viel grösser sind die Gefahren. Ein 8-stelliges Passwort mit Gross- und Kleinbuchstaben, Primzahlen, Zeichen wie ç,/&[}) etc ist sehr schwer zu Hacken. Man braucht mehrere Jahre. Mit einem Quantencomputer reichen einige Tage oder gar wenige Stunden, je nach Anzahl Qbits. Die Passwörter werden wahrscheinlich mindestens 1000-stellig sein und auch russische, arabische, hebräische und/oder Buchstaben anderer Sprachgruppen enthalten. Die Passwörter, die vor Quantencomputer-Angriffen schützen sollen, werden wahrscheinlich käuflich erworben werden müssen. Wenn eine kriminelle Organisation oder Firma, oder auch eine oder wenige Personen im Besitz eines Quantencomputers sind oder einfach als erstes mal darauf Zugriff haben, ist das Gefahrenpotential riesig, sämtliche Dimensionen sprengend. Die ganze Welt kann Schach Matt gesetzt werden, die gesamte Zivilisation könnte vernichtet werden. Verkehrssysteme, Spitäler, Elektrizitätwerke, das Pentagon etc, all das kann innert Kürze ausgeschaltet werden. Man muss sich das mal vorstellen.

Literatur:

SRF Swiss TV Sendung “Einstein” vom 26. Januar 2023 im IBM Institut, 8803 Rüschlikon

Peter W. Atkins, Physikalische Chemie, VCH Verlags AG, CH 4020 Basel (Schweiz) 1987, 1988